초록 ▼

□ 연구개요
○ 본 연구의 목표는 In-situ 분광분석과 원자수준 시뮬레이션을 통한 메커니즘 규명하고 이를 바탕으로 아연 다가이온으로 구동이 가능한 고효율 플랙서블 슈퍼커패시터를 개발하고자 함.
● 2차원 소재(siloxene, MXene, graphene)와 금속산화물 양자점을 기반으로 아연 다가이온 슈퍼커패시터 전극소재개발 (최종목표 에너지밀도: 100 wh/kg >).
● 고분자 전구체와 아연이온 간의 분자 크라우딩(molecular crowding)을 이용, 물리/화학적 구동 안정성이 우수한 고상 전해질개발

□ 연구개요
○ 본 연구의 목표는 In-situ 분광분석과 원자수준 시뮬레이션을 통한 메커니즘 규명하고 이를 바탕으로 아연 다가이온으로 구동이 가능한 고효율 플랙서블 슈퍼커패시터를 개발하고자 함.
● 2차원 소재(siloxene, MXene, graphene)와 금속산화물 양자점을 기반으로 아연 다가이온 슈퍼커패시터 전극소재개발 (최종목표 에너지밀도: 100 wh/kg >).
● 고분자 전구체와 아연이온 간의 분자 크라우딩(molecular crowding)을 이용, 물리/화학적 구동 안정성이 우수한 고상 전해질개발 (충/방전 안정성 95% > after 100,000 cycles).
● 전기 분무를 통한 칩 위에서의 마이크로 전극활물질 패터닝 기술 및 다중 고성능 플렉서블 슈퍼커패시터소자개발. 또한, in-situ 분광분석기술과 제일원리계산을 통한 아연 다가이온 반응메커니즘 규명 연구.

□ 연구 목표대비 연구결과
○ 산소를 포함하는 3D 다공성 탄소(PC)구조체 개발: 미세와 메조기공의 공존하는 넓은 비표면적 (1340m2/g)의 다공성 탄소구조체를 제작하였음
○ 수성 전해질의 개질을 통한 장시간 안정성 향상연구: 사이클링 내구성과 에너지 저장 용량을 높이기 위해 Zn 음극의 부반응을 줄이는 간단하고 저렴한 첨가제 전해질 접근 방식을 개발
○ 프로토타입 아연이온 하이브리드 슈퍼커패시터(ZIHC) 제작 및 전기화학적 성능평가
● 기존 ZIHC의 탄소전극의 낮은 에너지밀도 및 전해질의 문제점을 해결하기 위한 연구수행. 구체적으로 에너지저장 용량을 높이기 위해 음극 전극용 멀티스케일 3D 산소함유 그래핀 유사탄소(MGC)를 제조하였으며, 기존의 수성 전해질의 문제점인 Zn-양극의 부반응을 억제하기 위해 저비용 첨가제 개발
○ 3D MGC의 산소가 풍부한 표면은 가역적 산화 환원 반응을 허용하며 이는 ex-situ XPS 분석을 통해 교차 검증을 통해 확인하였음. 2차년도에 개발한 전극 소재와 전해질을 이용하여 프로토타입 ZIHC소자를 개발하였으며, 전기화학적 특성평가를 완료하였음 (JCR 5%이내의 국제우수저널에 논문 게재 성과)

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
● 본 연구에서 제안하는 웨어러블 에너지 저장기술은 다양한 학문과의 융합(재료 과학, 화학, 공학 및 의료 기기)하는 혁신적이고 종합적인 학문분야임. 이러한 기술은 휴대용 전자기기 및 의료기기들과 결합하여 인간의 삶을 보다 윤택하고 편리하게 해줄 것으로 기대됨.
● 전극 미세구조와 전지성능 사이의 상관관계를 규명하고, 겔 전해질의 수송메커니즘 및 전하 동역학에 대한 원자수준 시뮬레이션과 다양한 분석장비를 통한 원리규명. 아연 이온 다원자 마이크로 슈퍼커패시터의 최적화된 전해질 및 전극 제작에 대한 핵심기술 제공 가능.
● 고안정성, 고성능 ZIMSC는 효율적으로 수력, 풍력, 화력 및 원자력 등으로 부터 생산된 에너지를 저장하는 다양한 분야로 확장 응용이 가능함. 즉, 무선 센서, 나노 로봇, 사물 인터넷 (IoT) 등의 산업군들과 시너지 있는 결과 도출 가능.
● 본 연구는 장시간 안정적 구동이 가능한 아연 다가이온 마이크로 슈퍼커패시터(ZIMSC)를 개발하여 차세대 고효율 에너지저장 시스템으로 제시. 궁극적으로 한국의 화석연료 의존도를 낮춤으로서 온실가스 배출을 줄여 한국과 세계에 청정 환경 혜택을 가져다 줄 것으로 예상됨. 또한 새로운 나노하이브리드 전극과 전해액은 나노 기술과 재료공학의 융합학문을 크게 발전시킬 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 11
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 11
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 11
• 3) 목표 달성 수준 ... 11
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 12
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 12
• 6. 자체점검표 ... 12
• 7. 참고문헌 ... 13
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 14
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 16
• 끝페이지 ... 20